IP-STAR衛(wèi)星跨點波束自動對星系統(tǒng)研究及應(yīng)用展望

鄭學(xué)東，高云勇

（南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司，南京 210061）

1 引言

衛(wèi)星通信有很多優(yōu)點，各行業(yè)、各地區(qū)、各企業(yè)的衛(wèi)星應(yīng)急通信建設(shè)突飛猛進，對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器需求急劇增加。IP-STAR衛(wèi)星定位在東經(jīng)119.5°，其中Ku波段在中國國內(nèi)及沿海地區(qū)可使用的有23個點波束，1個成形小束，通信容量約12Gb/s，盡快大規(guī)模使用IP-STAR衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可大大緩解國內(nèi)對衛(wèi)星應(yīng)急通信轉(zhuǎn)發(fā)器的需求壓力，加快促進“政府主導(dǎo)、部門聯(lián)動、社會參予”應(yīng)急通信保障機制的形成，推動衛(wèi)星應(yīng)急通信產(chǎn)業(yè)爆發(fā)性跨越式增長。

2 IP-STAR衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

2.1 IP-STAR衛(wèi)星

IP-STAR衛(wèi)星是Space System/Loral(SS/L)勞拉空間系統(tǒng)公司（美國）制造，于2005年8月11日發(fā)射成功，軌道位置東經(jīng)119.5°，服務(wù)時間截止至2022年6月31日。

IP-STAR衛(wèi)星用23個Ku點波束、1個Ku成型波束、1個Ku廣播波束覆蓋中國大陸。在中國大陸有北京、上海、廣州三個關(guān)口站，相互之間通過地面光纜相連接，衛(wèi)星為中國大陸提供約12Gb/s的通信能力。北京關(guān)口站監(jiān)控管理的波束有301，302，303，304，305，306，307，308，311（9個點波束）和東部1個廣播波束；上海關(guān)口站監(jiān)控管理的波束有312，313，317，318，321，322（6個點波束）和西部1個成形波束；廣州關(guān)口站監(jiān)控管理的波束有309，310，314，315，316，319，320，323（8個點波束）。

2.2 IP-STAR衛(wèi)星對中國的覆蓋

圖1 IP-STAR衛(wèi)星對中國的覆蓋

2.3 IP-STAR衛(wèi)星系統(tǒng)典型使用拓樸圖

圖2 寬帶接入圖

表1 IP-STAR主要終端圖

3 IP-STAR衛(wèi)星跨波束自動對星系統(tǒng)研究

IP-STAR衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)點：采用Ka+Ku復(fù)合傳輸技術(shù)及頻率多重覆用技術(shù)，使衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器成本遠低于傳統(tǒng)衛(wèi)星成本，衛(wèi)星系統(tǒng)星上轉(zhuǎn)發(fā)器價格是現(xiàn)在通用轉(zhuǎn)發(fā)器價格的一半以上。

IP-STAR衛(wèi)星采用星上動態(tài)功率管理和動態(tài)帶寬管理等新技術(shù)，解決了Ka與Ku波段衛(wèi)星通信雨衰大的問題，采用Ka+Ku頻段空間交鏈技術(shù)和跳頻技術(shù)，可有效防止不法信號的干擾，終端設(shè)備成本低。

IP-STAR衛(wèi)星通信系統(tǒng)的不足：在中國東部地區(qū)主要的通信資源在23個點波束，對于固定站而言不需要跨區(qū)域，可以在一個點波束內(nèi)正常通信，但對于移動站而言就需要跨區(qū)域在不同的點波束內(nèi)工作，而且好多地方存在2個或者3個點波速重疊地區(qū)，用戶在哪個區(qū)域根本不知道用哪個點波速或者對于移動站位置變化頻繁，對于應(yīng)急通信或需跨點波束使用用戶，對星工作相當(dāng)困難，嚴重影響IPSTAR衛(wèi)星應(yīng)用。

IP-STAR衛(wèi)星跨波束（針點波束）自動對星系統(tǒng)就是要開發(fā)一種自動跟蹤接收機，來輔助移動衛(wèi)星通信息系統(tǒng)完成識別和確定跨到哪個強波束的功能，來輔助移動衛(wèi)星站能完成自動尋星和入網(wǎng)的功能。

3.1 設(shè)計要求

（1）跟蹤接收機做成1U機箱式或尺寸為100mm×100mm×30mm的模塊形式以及手持式：

1U機箱式主要用于車載系統(tǒng)，預(yù)留通信接口可以和伺服控制器以及計算機通信，不需要多大的硬、軟件改動就可以將原有的衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)改為IP-STAR衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，所有的協(xié)調(diào)工作由跟蹤接收機完成，而且1U機箱式跟蹤接收機有液晶屏與鍵盤，可以將AGC值和頻譜信息顯示出來，也可以進行鍵盤手動操控，可以用于各種系統(tǒng)，兼容性強，也便于機架式安裝，市電工作，方便使用。

模塊式主要用于自動便攜站，模塊式跟蹤接收機的任務(wù)主要是處理成形波束與點波束的AGC值，將最大AGC值送給伺服系統(tǒng)用于衛(wèi)星跟蹤，并結(jié)合GPS定位信息，準確判斷出是否要跨波束，將此信息匯報給計算機，由計算機自動申請建立新的鏈接。

手持式主要用于手動便攜站和開設(shè)地面站使用，根據(jù)GPS定位信息與衛(wèi)星位置可以自動計算出天線所要達到的水平與俯仰角度，便于快速對星，其內(nèi)置電池，可以給LNB饋電，尺寸較小，便于攜帶，方便使用。

（2）跟蹤接收機工作頻率為250MHz～2150MHz（LNB用雙本振工作，頻率為9.75和10.6GHz；或單本振，本振頻率為10.6GHz或9.4GHz），包含廣播波束、成形波束與點波束頻段；輸入信號動態(tài)范圍為-45～-95dBm；AGC輸出電壓范圍：0～10V。

（3）具有頻譜分析功能，能顯示頻譜或給出頻譜數(shù)據(jù)。

（4）具有GPS定位能力，并自動根據(jù)電子地圖識別出移動站大約在哪些點波束內(nèi)。

（5）能根據(jù)GPS信息與各接收機AGC值自動準確給出信號較強的點波束信息。

（6）能與計算機以及伺服控制器通信，當(dāng)跨點波束時能通知計算機自動與關(guān)口站聯(lián)系，申請重新建立鏈接。

3.2 設(shè)計方案

圖3 IP-STAR衛(wèi)星自動跟蹤系統(tǒng)原理框圖

從圖3來看，如果是傳統(tǒng)的衛(wèi)星則比較好跟蹤，因為有信標信號，且只有一個寬波束，用一臺衛(wèi)星信標接收機就可以解決問題，但對于IP-STAR，衛(wèi)星信標接收機就不行了，因為它沒有信標信號，且有很多點波束。由此我們想到一種最簡單的辦法，就是向IP-STAR星每個波束各發(fā)送一個不同頻率的不間斷的單載波或調(diào)制信號，用來作為信標信號，這樣地面站就可以像跟蹤傳統(tǒng)衛(wèi)星一樣用現(xiàn)有的衛(wèi)星信標接收機來進行自動跟蹤了，技術(shù)很成熟，較容易實現(xiàn)。經(jīng)過與運營商的溝通，可以按用戶使用地址，由我們負責(zé)發(fā)送單載波或調(diào)制波供尋星用（我們發(fā)送的信號以下稱之為信標信號）。

通過觀察IP-STAR星的中國地區(qū)覆蓋圖，我們發(fā)現(xiàn)成形波束覆蓋中國整個西部地區(qū)，頻率范圍為10950～11200MHz；廣播波束覆蓋整個中國東部地區(qū)，頻率范圍為11500～11700MHz，所有點波束在廣播波束內(nèi)，頻率范圍為12200～12371MHz，12389.5～12560.5MHz，12579～12750MHz三個接收頻段，且每個相鄰點波束的頻率都不相同，這使跟蹤接收機的工作變得易于實現(xiàn)了一些。我們只需要用一臺調(diào)制解調(diào)器向一個或多個點波束內(nèi)發(fā)送信標信號就可以了，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后它們在相鄰點波束內(nèi)的頻率是不一樣的，便于跟蹤接收機到達該區(qū)域時進行點波束的判別。根據(jù)以上頻段特點，跟蹤接收機應(yīng)至少由兩個現(xiàn)有的IP-STAR接收機與MCU組成，在MCU的控制下并行工作，一個處理當(dāng)前點波束或成形波束內(nèi)的信標信號，得到的AGC值反饋給伺服控制單元，使天線始終對準衛(wèi)星，功能與傳統(tǒng)衛(wèi)星地面站的信標機功能相同；另一個根據(jù)GPS提供的地理信息處理該區(qū)域內(nèi)各點波束和成形波束內(nèi)的信標信號，在后臺運行，不斷比較最多三個點波束或成形波束內(nèi)信標信號的AGC值大小，當(dāng)另一個點波束或成形波束內(nèi)信標信號的AGC值穩(wěn)定大于當(dāng)前波束內(nèi)信標信號的AGC值達到門限時，并且根據(jù)GPS信息得出地面站移動的軌跡，得到大致向哪個點波束內(nèi)移動，綜合判斷后，由MCU發(fā)出反饋信息給用戶端計算機，用戶端計算機自動發(fā)送跨區(qū)重現(xiàn)鏈接申請給關(guān)口站，得到批準后，由用戶端計算機通知跟蹤接收機和調(diào)制解調(diào)器等，重新鏈接建立成功。

對于以上方案，目前遇到了一個問題是市場上還沒有輸入頻率為10950～12750MHz，輸出帶寬可以達到1.8GHz的LNB（目前還在尋），這就造成當(dāng)遇到點波束與成形波束切換時需要更換LNB，這就不能實現(xiàn)全國范圍內(nèi)自動跟蹤，動中通在這一區(qū)域使用將很不方便。我們想到一種彌補方法是采用雙本振的LNB，目前市場上有本振為9.75GHz與10.6GHz的LNB，通過22kHz信號來控制頻率切換，但這也只能依據(jù)GPS定位信息來判斷點波束與成形波束的切換區(qū)域，不再能依據(jù)AGC值來判斷是否要切換，此時的跟蹤接收機要么工作在成形波束頻段，要么工作在點波束頻段，后臺工作的接收機不能同時處理成形波束與點波束的信標信號，這就使切換的時機達不到最佳狀態(tài)，切換的時間也相對點波束之間切換較長一些。所以還是希望能找到或定制到輸入頻率為10950～12750MHz，帶寬為1.8GHz的LNB為好，調(diào)制解調(diào)器可能達不到這個工作帶寬，可在之前加個頻率選擇模塊（如圖3），將頻率較低的成形波束頻帶搬移至調(diào)制解調(diào)器可正常接收的范圍。

3.3 IP-STAR星跟蹤接收機設(shè)計

圖4 IP-STAR衛(wèi)星信號跟蹤接收機原理框圖

IP-STAR星跟蹤接收機主要由分配器、廣播波束接收機、點波束接收機、GPS模塊、MCU組成。

3.3.1 分路器

圖5 分路器

分路器主要由功分器與濾波器組成，將LNB過來的250～2150MHz信號功分。頻率最終以LNB輸出頻率而定。

3.3.2 接收機

圖6 接收機

接收機1與接收機2硬件組成基本相同，主要由變頻部分、中頻放大、濾波、數(shù)字信號處理等部分組成。將分路器送來的信號進行多次變頻處理（進一步防止鏡頻與雜散信號干擾），變?yōu)橹蓄l信號，經(jīng)濾波放大后進入數(shù)字信號處理電路，進行FFT，并頻譜識別，得到準確的頻譜信息與幅度值，并送給MCU。

3.3.3 GPS模塊

得到經(jīng)緯度信息、時間信息等，并送給MCU或用戶端計算機。

3.3.4 MCU

MCU主要由FPGA、單片機、DSP等組成。主要功能為：內(nèi)置電子地圖，將各波束的覆蓋情況標注在電子地圖內(nèi)，當(dāng)移動站到達某區(qū)域時，能自動給出該區(qū)域的波束覆蓋數(shù)量，并將各波束的頻率信息發(fā)送給點波束接收機，點波束接收機在后臺比較這幾個波束的AGC值，當(dāng)滿足跨區(qū)條件時，反饋信息給MCU，MCU通知用戶端計算機發(fā)送鏈接申請給關(guān)口站，得到關(guān)口站確認后，由計算機將確認信息反饋給調(diào)制解調(diào)器收發(fā)頻率、MCU，新的鏈接完成。

3.3.5 頻率選擇模塊

圖7 頻率選擇模塊

將LNB過來的信號分成兩路，由兩只微波開關(guān)選通，點波束信號選擇直接通過，成形波束信號經(jīng)兩次變頻后，搬移至調(diào)制解調(diào)器可正常接收的頻率范圍，然后再送給調(diào)制解調(diào)器，采用兩次變頻可以有效的防止鏡頻等雜散信號干擾。輸入輸出頻率最終以LNB本振頻率而定。

3.4 使用步驟

第一步：打開設(shè)備電源。

第二步：跟蹤接收機內(nèi)的GPS開始定位。

第三步：跟蹤接收機開始判斷GPS定位沒有，如定位成功，則無須繼續(xù)定位。如不成功繼續(xù)定位。

第四步：跟蹤接收機開始根據(jù)定位的GPS信息，將衛(wèi)星移動站所在的各波速的覆蓋波速數(shù)量和頻率發(fā)送給跟蹤接收機。

第五步：根據(jù)跟蹤機給出的波速覆蓋頻率進行變頻、濾波和數(shù)字信號處理，最終轉(zhuǎn)化為AGC進行比較。

第六步：跟蹤接收機開始所在區(qū)域的波速的頻率進行比較和判斷，是否找到信號最強的波速，否則重新比較和判斷。

第七步：跟蹤接收機把移動站所在的頻率覆蓋比較的AGC最大的作為此次尋星和通信的主要信息。

第八步：跟蹤接收機把主要信息送給用戶終端和衛(wèi)星天線伺服機構(gòu)。

第九步：結(jié)束。

4 應(yīng)用展望

IP-STAR衛(wèi)星跨波束自動對星系統(tǒng)研究成功，有效拓展了IP-STAR衛(wèi)星系統(tǒng)從固定通信應(yīng)用為主到移動通信應(yīng)用，特別適合衛(wèi)星在應(yīng)急通信方面的動態(tài)立體跨區(qū)域應(yīng)用。

我國共擁有各類漁船106.56萬艘，其中機動漁船為67.52萬艘，海洋捕撈漁船20.45萬艘。漁船作業(yè)時通信保障只有短波電臺、超短波漁用對講機、北斗衛(wèi)星船載終端、CDMA手機等，通信距離只有30～50海里，而且只有語音或窄帶數(shù)據(jù)通信，若采用IP-STAR衛(wèi)星跨波束自動對星系統(tǒng)，可有效解決近海漁船寬帶跨區(qū)域?qū)拵ㄐ藕透哳~費用問題。

我國約有60萬個行政村鎮(zhèn)，現(xiàn)階段廣播電視“村村通”工程是單向接收衛(wèi)星系統(tǒng)，工業(yè)和信息化部通過三大運營商推廣的“村村通”工程是以光纖為主，按“寬帶進行政村，電話進自然村”為總體目標，但在重大災(zāi)情發(fā)生時，光纖非常容易中斷或被關(guān)閉，不適合應(yīng)急通信保障。用IP-STAR衛(wèi)星跨波束自動對星系統(tǒng)，建設(shè)衛(wèi)星應(yīng)急通信保障專網(wǎng)，非常必要，也經(jīng)濟實惠，按“平時服務(wù)，急時應(yīng)急，戰(zhàn)時應(yīng)戰(zhàn)”的原則，平時可按預(yù)案提前布署終端站，按需開通衛(wèi)星帶寬，既充分利用IP-STAR衛(wèi)星帶寬容量大、信號強、價格優(yōu)，又節(jié)省巨大投入，對出現(xiàn)重大災(zāi)情地區(qū)，采用跨波束自動對星系統(tǒng)的終端站可以快速布署，節(jié)省高額通信費。